一種實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種實現分布式編隊飛行的衛星自主控制系統，該自主控制系統由六個通道組成。該系統內嵌在衛星控制器中，在現有衛星的管控系統下，能夠提前產生軌控指令，為發動機催化床加熱、姿態機動、地面校驗等提供準備時間。該系統通過將通道控制指令集存儲于衛星控制器的RAM中，其中被循環調用的通道控制指令集保存于動態數據流中，這就避免了對數據庫和數據查詢等星上資源的占用。本發明系統內嵌在每個衛星控制器中以相對獨立的子程序形式被加以調用，即管控系統在每個時刻輪詢自主軌控進程。本發明系統可作為現有星上管控系統的補充，而無需針對原有星上管控軟件系統重新設計。本發明系統能夠實現衛星的編隊構型捕獲、構型重構、構型維持等任務以及參與編隊中故障衛星撤離功能。
【專利說明】一種實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在現有衛星平臺技術和設備體制下的衛星編隊飛行控制系統，更特別地說，是指為了在不改動現有星上管控軟件的情況下實現衛星的編隊飛行，而設計的一種衛星自主軌道控制系統。
【背景技術】
[0002]衛星飛行的水平速度叫第一宇宙速度，即環繞速度。衛星只要獲得這一水平方向的速度后，不需要再加動力就可以環繞地球飛行。這時衛星的飛行軌跡叫衛星軌道。衛星軌道參數是用來描述在太空中衛星運行的位置、形狀和取向的各種參數。
[0003]中國專利申請號CN201310036399.4，申請日2013年01月30日，發明名稱“一種衛星軌道控制方法”。其中圖2公開了衛星控制系統的組成示意圖。該專利針對軌道控制發動機工作時會產生較大干擾力矩，姿態控制發動機為欠驅動的情況且要求軌道調整量較大時，提出了一種基于姿態控制發動機和動量輪結合的衛星軌道控制方法，可實現欠驅動情況下的快速軌道機動。
[0004]在2008年11月，國防科學技術大學，工學碩士學位論文，李松青，《航天器控制系統通用仿真技術研究》一文中公開了，航天器軌道的制導與導航系統還是姿態的確定與控制系統，從部件的角度來看都可以分為敏感器(測量)、控制器(信息處理)、執行機構(改變航天器的運動狀態)和作為控制對象的航天器本體四大部分；而航天器的運動總是離不開地球、太陽、月球、恒星、大氣等空間環境對它的影響，它們組成一個復雜的動力學系統。
[0005]2009年12月第I版《航天技術導論》楊炳淵編著，第155至159頁。航天器的姿態和軌道控制按控制力的來源可分為被動控制和主動控制兩大基本類型。主動控制方式主要應用于3軸穩定航天器的姿態控制，典型的控制系統如圖4 - 26所示。在計算機上事先存儲各階段計算任務所需的程序軟件，包括姿態確定和控制算法。計算機和敏感器、執行機構通過相應的接口連接。
[0006]編隊捕獲是解決多航天器如何實現相對運動構型的問題，這是保障航天器編隊正常在軌運行的第一步。構型維持控制是所有航天器編隊控制中的基礎問題，這是因為，穩定的構型是航天器編隊得以順利完成任務的保證，另外，構型維持控制是重構控制的基礎，空間任務的變更要求航天器編隊變換相對運動構型。
[0007]根據航天動力學分析可知，軌道變化的特征頻率為軌道角速度；而姿態控制的頻率很大程度取決于增益參數的設定(例如:磁力矩器容量、推力器脈寬等)；而從衛星可靠性角度考慮，對于地球人造衛星，軌道控制失敗僅影響衛星的過頂計劃，而姿態控制失敗直接導致衛星斷電、斷上下行鏈路，直接威脅衛星生存。因此，姿態控制必須依靠反饋回路，將控制任務交由計算機完成，人力限于地域和成本等因素將無法實現；而軌道控制恰好相反，由于變化頻率較慢給予地面充足的時間制定控制任務。相對于姿控的快頻，軌控是慢頻。以往研究大多關注于編隊飛行控制器的設計過程和性能評估，由于缺乏對軌控的慢頻認識，多數文獻將編隊飛行歸結為純粹的控制誤差抑制問題，進而設計出與姿態控制類似的閉環實時反饋控制。從硬件實現來看，姿態控制可依靠動量輪、磁力矩器等電氣設備提供連續控制量，將測量電信號直接轉換為執行電信號；而在執行一次軌控任務前，需要催化床加熱、姿態機動、地面校驗等一系列操作。
[0008]星上管控軟件負責星上各個分系統數據解碼分發和打包、計算任務分配以及數據庫管理等任務。編隊飛行軌道控制依靠星載處理器產生控制指令，勢必與星上管控軟件產生數據交互；如果按照分系統軟件研制的傳統方式，需要針對星上管控軟件進行大規模改動，例如重新定義環境變量、增加數據庫訪問權限等。
【發明內容】
[0009]為了在每個衛星控制器中產生一定時間段的提前執行指令，以預留姿控、熱控等準備時間來完成一次軌控任務，本發明提供了一種衛星自主控制系統。該系統通過將控制指令集存儲于衛星控制器的RAM中，其中被循環調用的通道控制指令集保存于動態數據流中，這就避免了對數據庫和數據查詢星上資源的占用。本發明系統內嵌在每個衛星控制器中，可作為現有星上管控系統的補充，而無需針對原有軟件系統重新設計。本發明系統能夠實現衛星的編隊構型捕獲、構型重構、構型維持等任務以及參與編隊中故障衛星撤離功能。
[0010]本發明的一種實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，該系統首先構建六個通道，然后通過通道更新模塊和通道排序模塊進行處理，最后得到當前執行通道。
[0011]所述的衛星自主軌道控制系統包括有第一通道TD1、第二通道TD2、第三通道TD3、第四通道TD4、第五通道TD5、第六通道TD6、通道更新模塊和通道排序模塊。
[0012]第一通道TD1:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為正值的通道；
[0013]步驟101:依據當前時刻T31J的從星F與主星M之間的相對距離Λ D31J計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離AD估計；
[0014]步驟102:依據當前時刻T31J的主星M緯度幅角計算估計時刻T估計的主星M諱度幅角々估|十；
[0015]步驟103:依據當前時刻T的相對半長軸Aa3ff計算估計時刻T估計的相對半長軸Δ a估計；
[0016]步驟104:將ADteit與最小設定距離Dniin作比，所述Dniin是指從星F與主星M之間的最小設定距離；
[0017]若Δ D Dmin,則第一通道不更新執行時刻Gz)和速度脈沖量;
[0018]若ΛD估計≤Dmin，則:
[0019]Α)根據.計算出主星M到達指定緯度幅角"二時所需要的到達時間:--，然后加上軌道預報時間Iss，加上當前時刻Τ3|?，即得到第一通道執行時刻，
tTDl -+ T預報+『當前；
[0020]B)根據Λ &@+計算第一通道的速度脈沖量為1
[0021]第二通道TD2:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為負值的通道；
[0022]步驟201:依據當前時刻T 的從星F與主星M之間的相對距離Λ D 計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離AD估計；
[0023]步驟202:依據當前時刻T3li的主星M緯度幅角計算估計時刻的主星M緯
度幅角“估{十；
[0024]步驟203:依據當前時刻T 的相對半長軸Λ a 計算估計時刻T 的相對半長
軸Δ a估計；
[0025]步驟204:將Λ Dteit與最大設定距離Dmax作比，所述Dmax是指從星F與主星M之間的最大設定距離；
[0026]若Δ D < Dmax,則第二通道不更新執行時刻tTD.,和速度脈沖量vTD2，
[0027]若AD估計≥Dmax，則:
[0028]A )根據C計算出主星M到達指定緯度幅角^時所需要的到達時間，然后加上軌道預報時間Iss，加上當前時刻Τ3|?，即得到第二通道執行時刻匕D2，
【權利要求】
1.一種實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，該衛星自主軌道控制系統內嵌在星載計算機或者姿軌控計算機內，其特征在于:所述的衛星自主軌道控制系統包括有第一通道TD1、第二通道TD2、第三通道TD3、第四通道TD4、第五通道TD5、第六通道TD6、通道更新模塊和通道排序模塊； 第一通道TD1:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為正值的通道； 步驟101:依據當前時刻T3ff的從星F與主星M之間的相對距離AD31J計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離Λ D估計； 步驟102:依據當前時刻T3li的主星M緯度幅角計算估計時刻Ttei+的主星M緯度幅角 <計； 步驟103:依據當前時刻T31J的相對半長軸Aa3lJ計算估計時刻Iftit的相對半長軸Aa估計5 步驟104:將ADtei+與最小設定距離Dmin作比，所述Dmin是指從星F與主星M之間的最小設定距離； 若ΔD估計> Dmin，則第一通道不更新執行時刻Ga和速度脈沖量νrΑ ； 若 ΔD估計≤Dmin，則: A)根據W“計算出主星M到達指定緯度幅角時所需要的到達時間，然后加上軌道預報時間Ths，加上當前時刻Τ3|?，即得到第一通道執行時刻Ga，
2.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:每一通道具有獨立的功能模式，每個模式的優先級是不同的；第一通道TD1和第二通道TD2為互異通道指令，即兩者不可能同時出現且執行間隔至少大于軌道預報時間Twr ;第三通道TD3和第四通道TD4為孿生通道指令且執行間隔為半個軌道周期；第五通道TD5和第六通道TD6亦為互異通道指令。
3.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:衛星在實現編隊飛行捕獲時，對從星F與主星M的軌道根數進行軌道預報時間Twr的設置，直接調用6個通道實現飛行任務。
4.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:衛星在實現編隊飛行維持時，對從星F與主星M的軌道根數進行軌道預報時間Twr的設置，直接調用6個通道實現飛行任務。
5.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:衛星在實現編隊飛行重構時，首先對各個通道進行速度脈沖量做清零操作；對從星F與主星M的軌道根數進行軌道預報時間Twr的設置，然后調用6個通道實現飛行任務。
6.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:衛星在實現編隊飛行撤離時，首先對各個通道進行速度脈沖量做清零操作；對從星F與主星M的軌道根數進行軌道預報時間Twr的設置，然后調用第一通道實現飛行任務。
7.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:所述的自主軌道控制系統是在Matlab R2008a 一 Simulink基礎平臺上開發得到。
8.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:所述的自主軌道控制系統通過將通道控制指令集C75 = Ib5lSAjninI存儲于星載計算機或者姿軌控計算機的RAM中，其中被循環調用的通道控制指令保存于動態數據流中，這就避免了對數據庫和數據查詢星上資源的占用。
9.根據權利要求1所述的實現分布式編隊飛行的衛星自主軌道控制系統，其特征在于:所述的自主軌道控制系統是通過軟件實現以作為現有星上管控系統的補充，而無需重新設計管控軟件架構。
【文檔編號】G05D1/08GK103676955SQ201310706689
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】徐 明, 禹凱, 劉勝利, 楊志, 張昂, 李霖, 徐世杰 申請人:北京航空航天大學, 航天東方紅衛星有限公司